2. Maestría
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Tesis de la Escuela de Posgrado
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Item A method of estimation of relevant trunk control parameters for cerebral palsy rehabilitation in children during independent walking based on inertial measurement unit data(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2025-01-15) Guzman Alfaro, Maria Alejandra; Elias Giordano, Dante Angel; Witte, Hartmut FriedrichResumen La parálisis cerebral (CP) es una discapacidad del desarrollo infantil que genera un impacto en la capacidad de moverse y caminar. Algunos estudios biomecánicos han desarrollado en el análisis de marcha de niños con CP que caminan de forma independiente, estimando parámetros que cuantifican el rendimiento del movimiento usando unidades de medición inercial (IMU). No obstante, solo una investigación ha proporcionado información acerca de la comparación antes y después del tratamiento fisioterapéutico en niños con CP. Un estudio de viabilidad se está llevando a cabo por la DRK-Kinderklinik en Siegen para dar prueba del concepto acerca de la mejora del control postural después de un bloque intensivo de terapia Vojta. Para este estudio, seis niños con CP y seis niños con desarrollo típico (TD) realizaron pruebas de marcha de 5 metros ida y vuelta, tres veces, usando sensores inerciales en el esternón, lumbar y en el dorso de los pies. El objetivo de esta investigación es identificar los cambios en el rendimiento del balance del tronco en la marcha de niños con CP mediante un análisis de los datos inerciales. Esta información fue analizada en los dominios de tiempo y frecuencia, y con ella, parámetros de control del tronco fueron identificados y cuantificados. El algoritmo de MATLAB desarrollado consiste en una detección automática de caminata y giros, una detección parcialmente automática de los ciclos de marcha, y la estimación de parámetros de la marcha en los dominios de tiempo y frecuencia. Cuatro grupos de parámetros fueron evaluados: espaciotemporal, suavidad, armonicidad y movimiento angular. Los parámetros espaciotemporales son la velocidad, cadencia, tiempo de paso y número de pasos. Los parámetros de suavidad son la media cuadrática (RMS) y el coeficiente de atenuación (AC) de las aceleraciones por cada eje. La relación armónica (HR) evalúa la armonicidad. El movimiento angular fue determinado por los ángulos absolutos del esternón y la columna lumbar por eje, así como los ángulos relativos entre ambas posiciones. Después de la terapia Vojta, el único parámetro de la marcha que varía para todos los niños con CP evaluados es el mediolateral (ML) AC. Asimismo, cinco de los seis niños presentaron una variación en el ángulo roll del esternón. Cuatro niños mostraron una variación en la ML RMS del esternón, ML HR del esternón y lumbar, anteroposterior (AP) RMS del lumbar, vertical (VT) AC, y el ángulo pitch relativo. Sin embargo, la evaluación de solo un parámetro provee información incompleta, por lo tanto, un grupo de parámetros debe ser analizado.Item Control de aprendizaje profundo basado en un control predictivo por modelo no lineal para un vehículo submarino no tripulado(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-11-29) Gallardo Rodríguez, Manuel Enrique; Portella Delgado, Jhon ManuelLa presente tesis propone un algoritmo para el entrenamiento de una red neuronal con algoritmos de Redes Neuronales Profundas (Deep Learning) en combinación con un control predictivo basado en modelos no lineal (NLMPC - Non Linear Model Predictive Control) para el entrenamiento de vehículos submarinos. El interés por el desarrollo de sistemas autónomos se incrementó considerablemente en los últimos años. Sectores como el industrial y militar han desarrollado esta tecnología con la finalidad de implementar futuros proyectos vinculados especialmente a la navegación autónoma. Este tipo de navegación se basa en sistemas de control en tiempo real que identifican el entorno que rodea al vehículo con la finalidad de tomar decisiones de desplazamiento en función de las restricciones mecánicas del vehículo y físicas del entorno. Los sistemas de Control Predictivo en Base a Modelos o MPC por sus siglas en inglés Model Predictive Control, han sido usados de manera satisfactoria para el control de vehículos submarinos. Sin embargo, su aplicación requiere estimar los estados del sistema en todo momento, lo cual tiene un coste computacional muy alto en entornos complejos como el medio submarino. Por otro lado, los sistemas de control con Redes Neuronales, no necesitan estimar de manera explícita la dinámica del modelo, pues obtienen una política que relaciona las entradas del sistema con las acciones finales, mejorando de esta manera el control de sistemas complejos a través de Redes Neuronales constituidas por muchas capas ocultas, sin caer en el error de acumulación de error durante la etapa de entrenamiento. En este escenario, el presente trabajo tiene como objetivo el control de un robot submarino no tripulado, basado en una combinación del sistema de control no lineal MPC y una Red Neuronal entrenada con algoritmos de aprendizaje profundo (Deep Learning). El control no lineal MPC suministraría la información necesaria a la Red Neuronal durante la etapa de entrenamiento, posteriormente la Red Neuronal podría controlar el movimiento del robot submarino sin la necesidad de conocer todos los estados del vehículo y a un coste computacional mucho menor.Item Diseño de un sistema de retroalimentación háptico palmo dactilar para prótesis de miembro superior modelo “PUCP-Hand”(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-11-20) Romero Muñiz, Enzo Fernando; Elias Giordano, Dante AngelLos brazos protésicos son diseñados con la finalidad de restaurar funciones para aquellos con amputación de miembro superior. En la actualidad, existen avances significativos en brazos robóticos motorizados capaces de un amplio rango de sujeciones. Sin embargo, dichas prótesis operan con una lógica de control que no se encuentra diseñada para retornar las sensaciones del tacto nuevamente; por lo tanto son incapaces de comunicar los estímulos externos sobre la prótesis al usuario. Esta ausencia de señales de retroalimentación impiden el uso eficiente de la prótesis. Así, la falta de retorno sensorial constituye una de las principales razones por la que los usuarios dejan de emplear su prótesis. En este marco, la presente tesis propone el diseño de un sistema de retroalimentación háptico de tipo palmo dactilar, orientado a captar las sensaciones vinculadas a la propiocepción de los dedos, la fuerza ejercida durante la prensión y la percepción de deslizamiento inminente de objetos, con el fin de redirigir estas señales de manera no invasiva hacia la sección amputada del usuario. Este sistema busca mejorar el control y destreza en el uso de la prótesis de mano, específicamente diseñado para integrarse en el modelo de prótesis “PUCP-Hand”. Este trabajo presenta en detalle el diseño del sistema mecatrónico propuesto, compuesto por un subsistema de sensado en la prótesis y un subsistema de actuación en el antebrazo del usuario. El subsistema de sensado registra el ángulo de flexión de los dedos, la fuerza ejercida durante la prensión de objetos y su deslizamiento; mientras que el subsistema de actuación comunica estas sensaciones de propiocepción, prensión y deslizamiento inminente a través de tres vibraciones de intensidad variable. Con el fin de validar el diseño planteado, se realizaron simulaciones electrónicas del funcionamiento general del sistema, así como una simulación por elementos finitos a la estructura del subsistema de actuación. Los resultados alcanzados permiten concluir que, mediante la aplicación de la metodología de diseño mecatrónico, se ha diseñado un sistema de retroalimentación háptico palmo dactilar para la prótesis de miembro superior modelo "PUCP-Hand". Un diseño que permite transmitir las sensaciones de propiocepción en los dedos, fuerza y deslizamiento de objetos al usuario. Un diseño con un costo de producción de S/ 3,481.16 y un costo de diseño de S/ 21,840.00.Item Optimization of screw extrusion-based additive manufacturing process for direct extrusion of polyketone(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-09) Fermín Jiménez, Paul Jhosel; Troncoso Heros, Omar Paul; Labus Zlatanovic, DankaLa policetona alifática (PK) es una clase relativamente nueva de polímero semicristalino, conocida por sus propiedades químicas, térmicas y mecánicas mejoradas, así como por su respeto al medio ambiente. Estos atributos lo convierten en un candidato prometedor para reemplazar varios otros polímeros. Sin embargo, la producción de este polímero plantea un desafío debido a su limitada estabilidad térmica. Esta tesis se centra en evaluar la viabilidad de producir piezas estables mediante fabricación aditiva basada en extrusión de tornillo para dos tipos de polecetonas alifáticas. Las policetonas utilizadas en este estudio son PK6246 (policetona base) y PK8655 (policetona reforzada con fibra de vidrio). Se empleó una metodología experimental y una caracterización detallada. Inicialmente, se realizaron pruebas preliminares para determinar y limitar parámetros como el rango de velocidad de la mesa, las dimensiones de la pieza de trabajo y las temperaturas de extrusión. Las dimensiones de la pieza de trabajo se definieron en función de las limitaciones de la mesa de impresión, mientras que el rango de velocidad de la mesa y las temperaturas de extrusión se determinaron según las recomendaciones del proveedor. Posteriormente se imprimieron 30 piezas de cada tipo de policetona. Los resultados revelaron que se pueden producir piezas estables de PK6246 mediante fabricación aditiva basada en extrusora, cuando se eligen los parámetros de impresión correctos. Por el contrario, las piezas fabricadas con PK8655 mostraron un rendimiento deficiente. Las muestras PK6246 demostraron que las resistencias a la tracción entre capas (ángulo de impresión de 90°) pueden alcanzar valores de hasta 42 MPa, un valor razonablemente confiable considerando un ángulo de impresión de 90° y cercano a los 60 MPa especificados por el proveedor. Sin embargo, las muestras de PK8655 apenas excedieron los 30 MPa, significativamente más bajo que el valor especificado por el proveedor de 130 MPa. Además, la microestructura de las muestras de PK8655 mostró una porosidad significativamente mayor en comparación con cualquier muestra de PK6246. Además, la temperatura entre capas jugó un papel crucial en la determinación de los parámetros de impresión óptimos. Esto afecta la resistencia a la tracción y está influenciado por la velocidad de enfriamiento entre las capas, que a su vez depende de la velocidad de la mesa y la geometría de la capa. Una temperatura entre capas alta puede hacer que la pieza se hunda debido a la acumulación de calor, mientras que una temperatura entre capas baja puede provocar deformaciones, especialmente en las capas iniciales de la impresión.Item Uso de la simulación numérica como alternativa a los ensayos destructivos contemplados en las Normas ISO 3449 y 3471. Caso de estudio cargador frontal modelo HS10E(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-10-07) Rojas Asto, Pavel; Alencastre Miranda, Jorge HernánEl presente trabajo desarrolla un procedimiento general para la simulación por elementos finitos de dos ensayos destructivos contemplados en las normas ISO 3449, para el impacto de objetos en caída libre, y la ISO 3471, para volcadura de equipos móviles. El procedimiento propuesto abarca la compresión de la solicitud del diseño a evaluar (donde se realiza una lista de exigencias para tener claros los puntos de mejora y las restricciones del estudio), las evaluaciones preliminares (que permiten identificar las necesidades para la simulación), el tipo de simulación a realizar, la selección del programa computacional , la geometría de la estructura que se requiere analizar, la definición de las cargas, los apoyos y los materiales involucrados en el análisis, el preprocesamiento (donde se realiza la generación de la maqueta virtual, en la cual se asignan las propiedades del material, las generaciones de la malla en la estructura, los apoyos y cargas, estas últimas definidas en las evaluaciones preliminares), el post procesamiento (en donde se determina los resultados y graficas que se solicitará al programa) y la interpretación de los resultados. Para determinar la eficacia de este procedimiento se realizó el análisis de la estructura de un equipo móvil, el cual fue sometido a este procedimiento, determinándose que para el caso de la simulación para la norma ISO 3449 se requiere una simulación del tipo explicita por estar relacionado con el análisis de impacto y para el caso de la simulación de la norma ISO 3471 se requiere una simulación del tipo no lineal, tanto por superar los límites de fluencia del material como por tener grandes deformaciones plásticas. Los resultados obtenidos son coherentes con el resultado analístico y como el comportamiento esperado de la estructura, el cual se demuestra que el procedimiento propuesto cumple con el objetivo y permite hacer repetitivo el análisis hasta obtener resultados satisfactorios para el diseñador antes de someter la estructura al ensayo destructivo, reduciendo los costos y tiempo de mejora en las estructuras que requiere de dichos ensayos.Item Simulación unidimensional del comportamiento dinámico de una tubería horizontal biempotrada que transporta flujo bifásico gas – líquido usando un modelo homogéneo(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-09-25) Castillo Neciosup, David Guillermo; Ortiz Vidal, Luis EnriqueLa vibración inducida por flujo bifásico (2-FIV) en tuberías es un fenómeno frecuente en industrias como la nuclear e hidrocarburos. Para el caso de flujo bifásico gaslíquido, estudios muestran una fuerte influencia de la velocidad de la mezcla y fracción de vacío sobre el comportamiento dinámico de tuberías. En el presente trabajo se estudia el fenómeno de vibración inducida en tuberías horizontales biempotradas usando un modelo homogéneo sin deslizamiento para la mezcla bifásica. Se trata de una abordaje común en el tópico de flujo multifásico, pero hasta ahora no utilizada en el estudio 2-FIV. La ecuación de movimiento del sistema es derivada a partir de la formulación clásica de Païdoussis. Se asume la teoría de Euler-Bernoulli para vigas y pequeñas deflexiones. Se obtiene una ecuación diferencial parcial (EDP) acoplada fluido-estructura de cuarto orden. Esta se adimensionaliza y discretiza mediante el método de Galerkin. Este método transforma la EDP en un sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias (EDO) de segundo orden. Así mismo, el método state-space es utilizado para transformar las EDOs en sistemas de ecuaciones diferenciales de primer orden para calcular las frecuencias del sistema. La respuesta estructural también es calculada. Las frecuencias y respuesta son calculadas para diferentes propiedades geométricas y condiciones de flujo. Para la estabilidad fluidoelástica, los resultados muestran que la frecuencia disminuye al aumentar la velocidad de la mezcla. Si disminuye la fracción de vacío homogénea, decrece la frecuencia. Con respecto a la respuesta estructural, la máxima amplitud ocurre en el punto central de la tubería. Además, variaciones apreciables del valor de la amplitud son observadas para altas velocidades superficiales de la mezcla. Estos resultados teóricos coinciden con los resultados experimentales reportados en la literatura.Item Integrating motion planning for platform and arm movements(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-09-23) Flores Comeca, Andy Luis; De La Cruz Casaño, CelsoDie Arbeit zielt darauf ab, die separaten Systeme für die Navigation einer mobilen Robotikplattform und die Bewegungsplanung ihrer Arme zu einem kohärenten System zu integrieren. Derzeit verwendet die Plattform für jede Aufgabe unterschiedliche Ansätze, wobei für die Navigation eine evolutionäre Optimierung und für die Bewegungsplanung der Arme ein roadmap-basierter Planer zum Einsatz kommen. Die Integration soll koordinierte Bewegungen ermöglichen, wie beispielsweise das Durchgehen einer Tür, während der Roboter deren Griff hält. Dies erfordert die Evaluierung der Fähigkeit des roadmap-basierten Planers, in einem erweiterten Konfigurationsraum zu operieren, die Entwicklung eines Controllers für die mobile Basis, die Sicherstellung einer synchronen Ausführung der Bewegungen mit dem Arm-Controller und die Anpassung von Softwaremodulen für die globale Pfadplanung.Item Modelado numérico de la vibración inducida por flujo turbulento en tuberías horizontales mediante modelos multifísicos(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-09-18) Blas Cajas, Michael Anderson; Franco Rodríguez, RosendoEn el presente trabajo se modela numéricamente la vibración inducida por flujo interno turbulento en tuberías horizontales biempotradas utilizando modelos multifísicos. Existen pocos trabajos que exploren la vibración inducida por flujo utilizando este enfoque, a su vez que no presentan una metodología clara para su aplicación. Este trabajo se centra en la definición de un modelo numérico detallado del fenómeno, que consta del modelado del flujo, la tubería y su interacción. En el modelo numérico del flujo, se empleó el Método de Volúmenes Finitos junto con el modelo de turbulencia tipo LES, WMLES SOmega. Se aplicó la condición de periodicidad para reducir el costo computacional de simular un flujo turbulento completamente desarrollado. En el modelo numérico de la tubería, se empleó el Método de los Elementos Finitos junto al método de integración temporal HHT-𝛼����� generalizado. Se consideró el modelo elástico-lineal para el material de la tubería. En el modelo de la interacción fluido-estructura, se empleó el acoplamiento unidireccional (1-way) modificando la densidad de la tubería para incluir el efecto de la inercia del fluido. La implementación del modelo numérico definido se realizó en el software ANSYS 2020 R1. Posteriormente, se aplicó el modelo implementado para evaluar la influencia de la velocidad del flujo en la respuesta vibratoria del sistema flujotubería. Se consideró una tubería horizontal biempotrada de PVC, de 20,4 mm de diámetro y 1,53 m de largo, que transporta agua como fluido, considerando cuatro velocidades de flujo distintas. Los resultados de esta aplicación muestran una adecuada correspondencia con estudios experimentales y analíticos al determinar las amplitudes y frecuencias fundamentales de vibración del sistema, y capturar el aumento de la amplitud de vibración conforme se incrementa la velocidad del flujo. Esto sugiere que el modelo numérico definido es adecuado y puede ser una herramienta importante para estudiar el fenómeno de vibración inducida por flujo en tuberías.Item Estudio teórico y experimental del comportamiento dinámico de una estructura articulada cuya geometría es modificada por elementos tensores en forma análoga a una articulación del dedo humano, sistema aplicado al desarrollo potencial de elementos alares de aeronaves subsónicas(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-06-05) Córdova Córdova, Luis Francisco; Rivera Campos, Richard AlbertoEl objetivo general de esta tesis es estudiar teórica y experimentalmente el comportamiento dinámico de una estructura articulada construida a partir de elementos viga y barra que es utilizada como modelo simplificado de un ala articulada de una aeronave subsónica y cuya geometría es modificada mediante un sistema propuesto de actuación análogo al hallado en una articulación del dedo humano. Inspirado en los sistemas de extensión y flexión del dedo humano, el sistema propuesto de actuación consiste en el uso de cables tensores a modo de tendones artificiales para modificar la rigidez y permitir el cambio geométrico de la estructura estudiada. Al permitir que alas articuladas adapten una posición óptima durante todas las fases de vuelo, este sistema de actuación generaría operaciones más eficientes y una menor huella de carbono que las alas rígidas, las cuales están normalmente diseñadas para tener un desempeño óptimo sólo en el rango de velocidad crucero. Para estudiar el comportamiento dinámico de la estructura articulada con tendones artificiales, se desarrollaron tres modelos matemáticos y se formularon sus ecuaciones de movimiento. Asimismo, se construyó un modelo experimental y se diseñó tres grupos de experimentos para evaluar los efectos de las variaciones de tensión y geometría sobre las frecuencias naturales de la estructura. A partir de la comparación de resultados teóricos y experimentales, se concluyó que los modelos matemáticos propuestos son adecuados para predecir el comportamiento dinámico de la estructura articulada con tendones artificiales, y que las modificaciones de tensión y geometría reconfiguran las frecuencias naturales del sistema dinámico.Item Investigation of different compliant mechanisms(Pontificia Universidad Católica del Perú, 2024-05-14) Sea Ordaya, Alexander Javier; Alencastre Miranda, Jorge HernánThe use of flexible mechanisms has been increasing in the recent years. This is due of the advantages that offer with respect to rigid mechanism. However, the method to study them become more complicated. Just to mention, the mathematical equations to investigate their behavior are of a higher level, so the assistance of calculation software is required. For this reason an analytical model is developed to facilitate the study of compliant mechanism. To do this, a review of the theory involved in the calculation of compliant mechanism is made and applied in the development of the analytical model. In this case the equations derived from the Euler-Bernoulli Beam Theory were used. In order to have a contrast of results, a software that use the Finite Element Method was used. After the simulation of the structures in both models, the relative errors were obtained. In the case of the simulations to obtain the displacement due to external forces, only the first node of the structures were defined as “Clamp” and the external forces were applied to the rest of the nodes. For this investigation, nine structures were simulated. To obtain a representative relative error, an average of them were calculated, which are 5.69% and 4.28% in the x and y axis respectively. Subsequently, because in all the cases, the first node is fixed, the moment at that node were obtained and compared. The average relative error found was 1.74%. After that, the simulations to obtain the forces due to the rotation of the structures were carried out. To make the simulations, the structures rotate in the range of -0.4 rad and 0.4 rad with steps of 0.1 rad. For this investigation, 4 structures were simulated and 14 parameters were defined. The maximal relative error found was 5.05%. Finally, an study of the behavior of the normalized moment at the first node of the 4 structures when the 14 parameters vary was carried out. In this investigation it was found on one hand that the parameters R1 and R2 from the structure 3 have good influence in the curves but on the other hand, the parameters R1 and α from the structure 4 have almost no influence.